Graphen bleibt Graphen auch unter Silizium

Die Graphenschicht ist nur eine Atomlage dick (0,03 nm), Ladungsträger können sich allerdings sehr frei darin bewegen. Diese Eigenschaft bleibt erhalten, auch wenn die Graphenschicht mit amorphem oder polykristallinem Silizium bedeckt wird / Marc A. Gluba/HZB

Dr. Marc Gluba und Prof. Dr. Norbert Nickel vom HZB-Institut für Silizium-Photovoltaik haben gezeigt, dass Graphen seine beeindruckenden Eigenschaften behält, auch wenn es mit einer dünnen Siliziumschicht bedeckt wird. Damit eröffnen sie für die Dünnschicht-Photovoltaik ganz neue Möglichkeiten.

Graphen ist extrem leitfähig und vollkommen lichtdurchlässig, dabei billig und ungiftig. Damit eignet es sich perfekt als transparente Kontaktschicht in Solarzellen zum Abführen des Stroms, ohne den Lichteinfall zu verringern, zumindest theoretisch. Ob dies auch in der realen Welt funktioniert, war aber fraglich, denn ideales Graphen – eine freischwebende flache Wabenstruktur aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatome – gibt es nicht: Wechselwirkungen mit benachbarten Schichten können die Eigenschaften von Graphen jedoch drastisch verändern.

Am HZB-Institut wurde untersucht, wie sich die Leitungseigenschaften von Graphen verändern, wenn es in einen Schichtstapel ähnlich dem einer Dünnschichtsiliziumsolarzelle eingebaut wird. Das Team um Dr. Marc Gluba und Prof. Dr. Norbert Nickel war selbst überrascht, dass sie nachweisen konnten, dass sich diese Eigenschaften dadurch nur wenig verändert haben. Sie stellten dafür Graphen auf einer Kupferfolie her, transferierten es auf ein Glassubstrat und schieden dann eine dünne Schicht aus Silizium darüber ab. Dabei untersuchten sie zwei Varianten, wie sie auch in den gängigen Siliziumdünnschichttechnologien verwendet werden: zum einen eine Probe mit einer amorphen Siliziumschicht, in der die Siliziumatome wie in einer erstarrten Schmelze ungeordnet sind; zum anderen untersuchten sie, wie sich ein typischer Kristallisationsprozess, der das ungeordnete Silizium in seine kristalline Phase überführt, auf die Eigenschaften des Graphens auswirkt. Obwohl sich das Gefüge der Deckschicht infolge der Erwärmung auf mehrere hundert Grad Celsius komplett verändert, ist das vergrabene Graphen auch danach noch nachzuweisen.

Das haben die Wissenschaftler so nicht erwartet, aber das Ergebnis zeigt: Graphen bleibt Graphen, auch unter Silizium. Die Messungen der Beweglichkeit über den Hall-Effekt zeigten, dass die Beweglichkeit von Ladungsträgern in der eingebetteten Graphenschicht rund 30mal höher liegt als in konventionellen Kontaktschichten aus Zinkoxid. Allerdings ist es noch sehr schwierig, diese nur eine Atomlage dünne Kontaktschicht mit äußeren Kontakten zu verbinden. Die Kollegen von den Dünnschichttechnologien wollen das einbauen, so Nickel. Die Forscher haben ihre Messungen an Quadratzentimeter großen Proben gemacht. Es ist praktisch aber möglich, viel größere Flächen mit Graphen zu beschichten.

Die Arbeit von M. A. Gluba, D. Amkreutz, G. V. Troppenz, J. Rappich und N. H. Nickel wurde in Applied Physics Letters Vol. 103, 073102 (2013) publiziert (doi: 10.1063/1.4818461).

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